Sciences du vivant

Simulation CFD pour les sciences du vivant et biotechnologies

Le fonctionnement des organismes vivants, bien qu’extrêmement complexe, répond néanmoins aux lois de la physique générale, et en particulier celles de la mécanique des fluides. À ce titre, nos outils de simulation numérique en mécanique des fluides sont capables d’apporter de nombreuses solutions aux problèmes complexes rencontrés par les industriels des sciences du vivant : biodynamique, écoulements sanguins, pathologies rhinosinusales. Ces approches innovantes apportent un point de vue nouveau sur les sciences du vivant.

Dans le domaine des sciences du vivant et des biotechnologies, les applications de la CFD sont vastes, allant de la conception de bioréacteurs à l’optimisation de la culture cellulaire, en passant par la modélisation de écoulements sanguins.

Voici quelques exemples des applications principales de la CFD dans le secteur des biotechnologies et des sciences du vivant

Conception et optimisation des bioréacteurs

Les bioréacteurs permettent essentiellement la production de biomolécules, de vaccins et de médicaments. La simulation CFD permet d’améliorer leur conception et d’optimiser les processus internes.

• Modélisation de la distribution des nutriments et de l’oxygène : Dans les bioréacteurs, une distribution homogène des nutriments et de l’oxygène est essentielle à la survie et à la croissance des cellules. La modélisation CFD permet de simuler ces écoulements pour assurer une répartition homogène dans le milieu de culture, évitant ainsi les zones mortes ou sous-alimentées.
• Conception et optimisation des systèmes d’agitation : En simulant les forces mécaniques générées par les systèmes d’agitation dans les bioréacteurs, la CFD aide à minimiser les taux de cisaillement auxquels sont soumises les cellules tout en maximisant l’efficacité du mélange.
• Contrôle des environnements de bioproduction : La simulation CFD permet de tester virtuellement des configurations de réacteurs ou des paramètres de process avant leur mise en œuvre réelle, ce qui réduit les temps de développement et les coûts tout en augmentant la fiabilité des résultats.

Applications en Microfluidique

Les dispositifs microfluidiques sont de plus en plus utilisés dans les biotechnologies, notamment pour des applications de diagnostic, de manipulation cellulaire et de tests de médicaments.

• Simulation des écoulements dans les microcanaux : Le calcul CFD permet de modéliser avec précision les écoulements dans des dispositifs à l’échelle micrométrique, aidant à concevoir des systèmes capables de manipuler des fluides de manière contrôlée pour des applications comme le diagnostic rapide ou le tri cellulaire.

Modélisation des Flux Sanguins et Cardiovasculaires

La modélisation des flux sanguins et de leurs interactions avec les structures cardiovasculaires est un enjeu majeur en sciences du vivant.

• Simulation des écoulements dans les artères et veines : La simulation numérique permet ainsi de modéliser les flux sanguins dans différentes parties du système cardiovasculaire, ce qui aide à comprendre des pathologies telles que les sténoses artérielles, les anévrismes, ou encore l’athérosclérose. Ces simulations permettent de prédire l’évolution de ces conditions et de guider les choix thérapeutiques.
• Conception et optimisation des stents et prothèses vasculaires : Grâce à la simulation CFD, les ingénieurs peuvent tester différents designs de stents et de prothèses afin de minimiser les risques de thrombose et améliorer la compatibilité avec le flux sanguin, garantissant ainsi une meilleure performance clinique.

Amélioration des Dispositifs Médicaux

La simulation CFD permet également de concevoir et d’optimiser les dispositifs médicaux utilisés dans divers traitements.

• Modélisation des écoulements dans les dispositifs de dialyse : Dans les machines de dialyse, la CFD aide à optimiser les écoulements de sang et de fluide de dialyse pour maximiser l’efficacité de filtration tout en minimisant les risques de coagulation ou de dysfonctionnement.
• Simulation des prothèses articulaires : La CFD permet de simuler l’interaction entre les fluides corporels et les implants orthopédiques, tels que les prothèses de hanche ou de genou. Cela permet d’optimiser les matériaux et les géométries pour améliorer la lubrification, réduire l’usure et les complications post-opératoires de ces prothèses.

Modélisation des écoulements dans la sphère ORL

• Simulation du cycle respiratoire : à partir d’un scanner réalisé dans le cadre de la pratique médicale, la simulation CFD permet de recréer les voies respiratoires du patient et de simuler la respiration dans différentes situations, permettant une meilleure quantification de son confort respiratoire.
• Simulation du lavage nasal : de même, il est possible de modéliser différents dispositifs de lavage nasal et de quantifier leurs effets et leurs différences, sur la capacité d’abrasion ou sur l’étendue spatiale de leur impact.

Fermentation Industrielle

Dans les procédés de fermentation, largement utilisés pour produire des biocarburants, des enzymes ou des produits pharmaceutiques, la modélisation CFD offre une optimisation des performances.

• Amélioration de l’efficacité du transfert de masse et de chaleur : Modéliser et optimiser les processus de transfert de chaleur et de masse dans les réacteurs de fermentation, à travers les calculs numériques, permet de garantir une fermentation plus rapide et un rendement accru.
• Contrôle de l’aération et de l’agitation : Dans les systèmes de fermentation, une bonne aération et un mélange efficace sont indispensables pour favoriser la croissance microbienne et maximiser la production. Par la simulation CFD, il est possible d’optimiser ces paramètres, réduisant ainsi les coûts énergétiques et augmentant la productivité.

Conclusion

La simulation de Mécanique des Fluide numérique trouve de nombreuses applications pour le secteur des sciences du vivant et des biotechnologies. De nombreux exemples sont donnés ici, mais la liste est loin d’être exhaustive : comme pour les autres secteurs, les innovations sont nombreuses et la CFD constitue un outil de choix pour accompagner les acteurs de la R&D, en réduisant les temps de développement et le nombre d’essais pour parvenir à un produit fonctionnel.

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